郭洪飛，馮亞磊 ，丁 娜，屈 挺，朝 寶

(1.暨南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)與物流工程研究院，廣東 珠海 519070；2.暨南大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 珠海 519070；3.廣州創(chuàng)顯科教股份有限公司，廣東 廣州 510000；4.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息通信技術(shù)的高速發(fā)展與落地實(shí)踐，數(shù)字孿生技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于電子通訊、人工智能、工程制造、移動(dòng)互聯(lián)等戰(zhàn)略領(lǐng)域。在此背景下，世界各國(guó)為重構(gòu)工業(yè)系統(tǒng)、促進(jìn)生產(chǎn)力進(jìn)步，紛紛制定了符合自身國(guó)情的前沿制造發(fā)展戰(zhàn)略，以美國(guó)率先提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略和德國(guó)的“工業(yè)4.0時(shí)代”戰(zhàn)略[1]為代表，其戰(zhàn)略目標(biāo)之一則是依靠時(shí)代科技變革浪潮下信息技術(shù)的創(chuàng)新，大力發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造領(lǐng)域物理層面和信息層面的交互共融，完成智能制造的全面升級(jí)[2]。與此同時(shí)，我國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略層面出發(fā)，以加快推進(jìn)“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”和“制造強(qiáng)國(guó)”建設(shè)為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，在2015年制定出臺(tái)了“中國(guó)制造2025”創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)政策[3]，同年結(jié)合時(shí)代背景確定了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃[4]。尤其在黨的十九大報(bào)告明確指出“新時(shí)代應(yīng)發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，加快建設(shè)工業(yè)化強(qiáng)國(guó)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”。此時(shí)，作為信息技術(shù)重要的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一的數(shù)字孿生技術(shù)，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)實(shí)環(huán)境與信息虛擬環(huán)境互通互融的有效手段，其技術(shù)特性決定了其在推動(dòng)國(guó)家智能化制造進(jìn)程中的重要地位，逐漸成為國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界近年來(lái)的熱點(diǎn)研究話(huà)題和重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。

數(shù)字孿生概念起源于工程制造領(lǐng)域，美國(guó)作為信息化技術(shù)的前沿發(fā)展國(guó)家之一，最早在1969年NASA的阿波羅項(xiàng)目中就采用了“孿生”概念，該項(xiàng)目生產(chǎn)出一對(duì)完全一致的航天飛行器，一個(gè)發(fā)射到太空中執(zhí)行空間任務(wù)，另一個(gè)則留在地球上的模擬環(huán)境中用來(lái)鏡像反映太空中航天飛行器的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程[5]。之后該基礎(chǔ)理論經(jīng)由數(shù)年發(fā)展，本世紀(jì)初美國(guó)的Grieves教授提出數(shù)字孿生體的初始概念模型，并將其定義為“具備抽象表示真實(shí)裝置的能力并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境下性能測(cè)試的數(shù)字化復(fù)制產(chǎn)品”[6]。隨后，國(guó)際上對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了不斷的研究和持續(xù)探索，如2015年美國(guó)通用電氣公司將數(shù)字孿生技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)有效結(jié)合，利用云服務(wù)平臺(tái)Predix對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全生命周期管理[7]；Rios等從工業(yè)化視角回顧了數(shù)字孿生的起源和發(fā)展歷程，認(rèn)為數(shù)字孿生技術(shù)在未來(lái)的工業(yè)化發(fā)展歷程中潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊[8]。而在國(guó)內(nèi)，以北京航天航空大學(xué)陶飛教授為首的學(xué)者們近年來(lái)也不斷探究數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域。如2017年，以陶飛教授為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)[9]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能制造過(guò)程中信息世界與物理世界的交互協(xié)作，以完善生產(chǎn)車(chē)間物理和信息層面的共融互通為切入口，提出了數(shù)字孿生車(chē)間(Digital Twin Shop-floor)的概念，并討論了實(shí)體車(chē)間、虛擬車(chē)間、車(chē)間服務(wù)系統(tǒng)和車(chē)間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)4個(gè)關(guān)鍵組成部分，對(duì)數(shù)字孿生車(chē)間的核心技術(shù)、運(yùn)行機(jī)制、系統(tǒng)特點(diǎn)做出了詳盡分析；隨后陶飛教授[10]聯(lián)合國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生領(lǐng)域的眾多學(xué)者，分析了數(shù)字孿生技術(shù)在基礎(chǔ)理論和行業(yè)實(shí)踐中的發(fā)展，在數(shù)字孿生的五維結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生的6大應(yīng)用準(zhǔn)則和14類(lèi)應(yīng)用設(shè)想，探索了未來(lái)數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵性技術(shù)和方法；2019年，陶飛教授等又在國(guó)際性權(quán)威期刊雜志《Nature》上發(fā)布題為《Make more digital twins》的評(píng)述，指出了數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、專(zhuān)家合作等層面亟待解決的核心問(wèn)題，并提出了統(tǒng)一數(shù)據(jù)和建模標(biāo)準(zhǔn)、共享數(shù)據(jù)和模型、創(chuàng)新服務(wù)等改進(jìn)建議[11]；2020年，為系統(tǒng)解釋當(dāng)前社會(huì)各界對(duì)數(shù)字孿生領(lǐng)域的新興概念和應(yīng)用技術(shù)等方面的困惑，陶飛教授團(tuán)隊(duì)[12]結(jié)合數(shù)字孿生領(lǐng)域的科研現(xiàn)狀，提煉出10個(gè)相關(guān)問(wèn)題并進(jìn)行綜合分析，推動(dòng)數(shù)字孿生的落地發(fā)展。此外，周有城等[13]從智能產(chǎn)品的模塊特性出發(fā)，基于數(shù)字孿生技術(shù)改善現(xiàn)有系統(tǒng)功能模型的構(gòu)建方法，創(chuàng)建信息和物理雙向反饋的交互體系，大幅提升了創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效率；苗田等[14]則研究了數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品生命周期管理中的應(yīng)用實(shí)踐，在考慮生產(chǎn)全要素的基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)籌分析，總結(jié)得出數(shù)字孿生體將深刻影響基于數(shù)據(jù)的未來(lái)制造模式。

綜上所述，數(shù)字孿生已演變?yōu)橐环N以數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體的仿真模型，借助大量產(chǎn)品信息、運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)維護(hù)等數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的全生命周期過(guò)程，通過(guò)一系列信息手段擴(kuò)展物理實(shí)體綜合性能的創(chuàng)新技術(shù)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)的研究發(fā)展關(guān)系到制造業(yè)未來(lái)的創(chuàng)新進(jìn)步，更為人類(lèi)探尋未知科學(xué)領(lǐng)域提供了途徑和方法[15]。因此，及時(shí)對(duì)數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)和階段分析，從而識(shí)別學(xué)術(shù)前沿、確定研究方向、管理客觀(guān)知識(shí)并做出科學(xué)決策，對(duì)推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、引導(dǎo)智能化制造的發(fā)展創(chuàng)新具有重大意義。

本文利用動(dòng)態(tài)科學(xué)文獻(xiàn)分析工具CiteSpace，選取數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展迅速的2000年～2019年間為研究區(qū)間，采用Web of Science和Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的以“Digital twin”為主題的7627條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)樣本，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的科研狀態(tài)和演進(jìn)態(tài)勢(shì)進(jìn)行可視化分析，通過(guò)繪制知識(shí)圖譜直觀(guān)呈現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的理論知識(shí)結(jié)構(gòu)、客觀(guān)發(fā)展規(guī)律和學(xué)科研究發(fā)展情況，同時(shí)分析出數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和研究前沿，為數(shù)字孿生技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供參考意見(jiàn)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究過(guò)程中使用的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)提取自Web of Science綜合性學(xué)術(shù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)及Google Scholar文獻(xiàn)檢索平臺(tái)，以“Digital twin”為檢索主題詞、以高級(jí)檢索為檢索方式對(duì)2000年1月1日～2019年9月30日期間發(fā)表的研究文獻(xiàn)進(jìn)行精確查詢(xún)，經(jīng)過(guò)篩選重復(fù)、無(wú)用文章后重新整理共獲得7 627條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，所得文獻(xiàn)數(shù)據(jù)記錄均包含文獻(xiàn)作者、標(biāo)題、參考文獻(xiàn)等完整信息。

1.2 研究方法

美國(guó)科學(xué)歷史主義創(chuàng)始人庫(kù)恩認(rèn)為，在特定學(xué)科領(lǐng)域中已發(fā)表的相關(guān)研究文獻(xiàn)在一定程度上反映了該領(lǐng)域的科學(xué)特性，這意味著預(yù)測(cè)特定學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)可以從已發(fā)表的研究文獻(xiàn)中提取和凝練[16]。同時(shí)，信息可視化技術(shù)包括引文分析可視化，在文獻(xiàn)計(jì)量過(guò)程中科學(xué)使用信息可視化技術(shù)能使得引文數(shù)據(jù)的處理分析不再受限于引文的數(shù)量，在很大程度上有利于研究者探明海量數(shù)據(jù)中隱藏的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)律[17]。CiteSpace是目前科學(xué)計(jì)量領(lǐng)域中使用最為頻繁的知識(shí)圖譜繪制工具[18]，研究綜合利用CiteSpace軟件的引文可視化分析技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、分時(shí)、多元的計(jì)量描述，基于共詞分析、聚類(lèi)分析及共被引分析等方法繪制出可視化知識(shí)圖譜，并自動(dòng)標(biāo)識(shí)出數(shù)字孿生知識(shí)領(lǐng)域演化歷程中的基礎(chǔ)引文節(jié)點(diǎn)、知識(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和關(guān)鍵路徑探尋數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿動(dòng)向。

2 科研合作分析

特定領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)一般由該學(xué)科領(lǐng)域的多名學(xué)者協(xié)作完成，不同學(xué)者所處的國(guó)家地區(qū)、所屬的科研機(jī)構(gòu)、所合作的研究人員截然不同。為深入分析數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)合作情況，研究將文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的科研合作分成國(guó)家間的合作、機(jī)構(gòu)之間的合作以及科研人員之間的合作，分別對(duì)應(yīng)整體、局部、個(gè)體3個(gè)研究層面。通過(guò)CiteSpace分析軟件繪制不同層次下的研究合作關(guān)系圖譜，對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)所涉及的國(guó)家、機(jī)構(gòu)以及科研人員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)，從而獲得數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者分布情況及科研合作情況。其中合作關(guān)系圖譜中，任意節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)發(fā)表論文的數(shù)量，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的大小嚴(yán)格與文獻(xiàn)數(shù)量成正比關(guān)系；節(jié)點(diǎn)的顏色可反映論文發(fā)表的日期先后；不同節(jié)點(diǎn)間連線(xiàn)的粗細(xì)直觀(guān)反映合作關(guān)系的密切程度。

2.1 合作圖譜

根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)繪制國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)、個(gè)體3個(gè)層次的合作關(guān)系圖譜。國(guó)家間的合作情況如圖1a所示，可以看出，以德國(guó)、中國(guó)、美國(guó)為代表的少數(shù)國(guó)家已經(jīng)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)相應(yīng)研究，中國(guó)、美國(guó)、新加坡、澳大利亞等國(guó)家已展開(kāi)合作研究，數(shù)字孿生研究領(lǐng)域逐漸形成國(guó)際合作趨勢(shì)。從圖1b科研機(jī)構(gòu)合作情況的知識(shí)圖譜可以看出，科研機(jī)構(gòu)的合作圖譜分成了兩大聚類(lèi)，其中：聚類(lèi)#1囊括了伊利諾伊大學(xué)、成均館大學(xué)、墨爾本大學(xué)等眾多世界知名高校，以上機(jī)構(gòu)論文發(fā)表數(shù)量相對(duì)較多，科研態(tài)勢(shì)良好；聚類(lèi)#2則由北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、北京科技大學(xué)等中國(guó)科研機(jī)構(gòu)組成，近年來(lái)中國(guó)在數(shù)字孿生領(lǐng)域積極探索研究，并取得了大量科研成果。除此之外，其余各研究機(jī)構(gòu)或以國(guó)家、或以地區(qū)為劃分有局部范圍的初步合作，但還是處于相對(duì)獨(dú)立的研究階段，發(fā)文量也并未形成一定規(guī)模。圖1c則反映了數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域中科研人員的合作概況，顯然，聚類(lèi)#1以Sehitoglu教授(美國(guó)伊利諾伊大學(xué))為核心研究人員的合作關(guān)系，Sehitoglu教授的發(fā)文量居于首位，與Patriarca、Maier等學(xué)者間也多有合作；聚類(lèi)#2是以中國(guó)學(xué)者陶飛教授(北京航空航天大學(xué))為核心研究人員的合作關(guān)系，陶飛教授的發(fā)文量位居第二。以上二位學(xué)者的發(fā)文量在國(guó)際范圍內(nèi)處于領(lǐng)先狀態(tài)，遠(yuǎn)超其他研究學(xué)者。其余各小聚類(lèi)代表的學(xué)者中，大多以局部地區(qū)的研究合作為主，且各小聚類(lèi)代表的合作關(guān)系的規(guī)模幾乎相同，發(fā)文量較少?？v觀(guān)全圖，也并無(wú)十分突出的合作連線(xiàn)。這說(shuō)明數(shù)字孿生技術(shù)雖已引起國(guó)際學(xué)者的關(guān)注，從事該領(lǐng)域技術(shù)研究的科研人員也初具規(guī)模，但能夠領(lǐng)導(dǎo)領(lǐng)域前沿研究的學(xué)者較少，且該技術(shù)領(lǐng)域的研究大多以課題組或科研機(jī)構(gòu)的形式展開(kāi)合作，各個(gè)國(guó)家、各個(gè)地區(qū)的局部研究領(lǐng)域之間的互通合作也亟待加強(qiáng)，其研究熱度、深度、廣度均有一定的發(fā)展空間。

2.2 學(xué)術(shù)影響分析

為針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜展開(kāi)學(xué)術(shù)影響分析，在表1中統(tǒng)計(jì)了發(fā)文數(shù)量處于前10位的國(guó)家、機(jī)構(gòu)和作者等情況，同時(shí)列出了對(duì)應(yīng)國(guó)家的中介中心性數(shù)值。中介中心性指網(wǎng)絡(luò)圖譜中特定節(jié)點(diǎn)擔(dān)任其他任意兩節(jié)點(diǎn)間最短的數(shù)據(jù)傳輸“橋梁”的次數(shù)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量越大、數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)越頻繁，則表明該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)圖譜的影響力越大、所處位置越關(guān)鍵[19]。從科學(xué)計(jì)量角度來(lái)看，中介中心性直觀(guān)反映了知識(shí)圖譜中各節(jié)點(diǎn)的核心影響力[20]。美國(guó)學(xué)者Leydesdorff[21]使用中介中心性作為關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)衡量文獻(xiàn)期刊的學(xué)術(shù)特性，CiteSpace研發(fā)者陳超美教授[18]也應(yīng)用中介中心性表征文獻(xiàn)中作者、引文等科學(xué)計(jì)量單元的重要程度。由此，可用中介中心性來(lái)對(duì)學(xué)術(shù)影響力進(jìn)行評(píng)估。

表1 國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)和研究作者發(fā)文量與中介中心性排名對(duì)比

綜上可知，數(shù)字孿生技術(shù)已引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，許多國(guó)家都開(kāi)始投入大量科研力量從事數(shù)字孿生技術(shù)研究，各個(gè)國(guó)家之間開(kāi)始逐漸建立緊密的科研合作關(guān)系，歐美國(guó)家以美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)為首，亞太地區(qū)以中國(guó)、韓國(guó)、印度、日本領(lǐng)銜；其次，縱觀(guān)各國(guó)知名高校研究院所和國(guó)家專(zhuān)業(yè)科研機(jī)構(gòu)的合作情況，其合作單位多是同一國(guó)家乃至同一地區(qū)的同類(lèi)型機(jī)構(gòu)，各大研究機(jī)構(gòu)之間跨領(lǐng)域、跨地區(qū)的合作交叉程度有待進(jìn)一步提高；再者，各研究人員之間主要以課題組或研究機(jī)構(gòu)為單位展開(kāi)科研工作，目前中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、新加坡等已合作發(fā)表過(guò)相關(guān)論文，國(guó)際化合作是未來(lái)數(shù)字孿生領(lǐng)域的科研趨勢(shì)之一。發(fā)文量前3的國(guó)家為美國(guó)、中國(guó)和德國(guó)。其中美國(guó)發(fā)表的論文數(shù)量處于領(lǐng)先地位，具有一定數(shù)量的科研機(jī)構(gòu)和科研人員，科研機(jī)構(gòu)以伊利諾伊大學(xué)、華盛頓大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)為主，各科研機(jī)構(gòu)之間的合作較少，研究人員以Huseyin Sehitoglu的研究作者團(tuán)為主，且主要以研究機(jī)構(gòu)為單位展開(kāi)科研合作；中國(guó)發(fā)文量位居第二，與其他國(guó)家也多有合作，科研機(jī)構(gòu)以中國(guó)科學(xué)院、北京航天航空大學(xué)為主，其科研人員較為集中，發(fā)文量前10名的人員中有4名中國(guó)學(xué)者，科研成果豐富，在國(guó)際領(lǐng)域同樣影響顯著；德國(guó)作為發(fā)文量第3的國(guó)家，前沿研究機(jī)構(gòu)稀少，在機(jī)構(gòu)合作、人員合作等層面有待提升，但德國(guó)作為中介中心性排名前3的國(guó)家，近年來(lái)在數(shù)字孿生研究領(lǐng)域不斷發(fā)力，科研領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略、美國(guó)數(shù)字工程戰(zhàn)略、中國(guó)“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略等是各自國(guó)家在智能制造與數(shù)字孿生領(lǐng)域有所作為的戰(zhàn)略保障，也是這些國(guó)家走在數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際前沿的根本所在。其中美國(guó)作為最早提出數(shù)字孿生概念并大力發(fā)展此技術(shù)的國(guó)家，在該領(lǐng)域影響力卓越，仍然處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

3 研究領(lǐng)域分析

利用CiteSpace軟件分析得到數(shù)字孿生技術(shù)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，如圖2所示。數(shù)字孿生技術(shù)共涉及55個(gè)研究領(lǐng)域，范圍十分廣泛，主要集中于工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、制造工程、電子/電氣工程、自動(dòng)化及控制系統(tǒng)、工業(yè)工程等幾大跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域。其中，工程學(xué)占據(jù)絕對(duì)的核心領(lǐng)導(dǎo)地位，這是因?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)空間完成數(shù)字化模型的反饋，基于數(shù)字孿生技術(shù)的信息仿真、流程分析、數(shù)據(jù)積累、知識(shí)挖掘等應(yīng)用在未來(lái)的工程學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要，因此數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的科研創(chuàng)新勢(shì)必影響工程學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景與研究方向。此外，熱度僅次于工程學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)科學(xué)，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)是當(dāng)前國(guó)際制造環(huán)境下主要的生產(chǎn)力技術(shù)開(kāi)發(fā)工具，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、規(guī)劃、制造的全周期管理是智能化制造技術(shù)的必然趨勢(shì)，而數(shù)字孿生技術(shù)恰又強(qiáng)調(diào)物理模型與仿真模型的感知交互，二者的融合將推動(dòng)人類(lèi)對(duì)物理客體的數(shù)字化認(rèn)知，進(jìn)而推動(dòng)制造技術(shù)真正向“環(huán)境就是計(jì)算機(jī)”的方向逐漸演化。

4 數(shù)字孿生技術(shù)最新進(jìn)展

4.1 研究熱點(diǎn)分析

研究熱點(diǎn)特指某一科研領(lǐng)域中最為核心的一個(gè)或多個(gè)研究主題，代表了該領(lǐng)域研究者們當(dāng)下最為關(guān)注的理論知識(shí)與技術(shù)應(yīng)用。認(rèn)識(shí)并了解特定科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),可幫助相關(guān)研究者時(shí)刻掌握該領(lǐng)域的主流研究方向。因此，本文研究提取了已收集文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞與高頻名詞，運(yùn)用CiteSpace軟件具備的共詞分析功能，同時(shí)結(jié)合關(guān)鍵路徑算法對(duì)文獻(xiàn)共引網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜的路徑進(jìn)行標(biāo)識(shí),從而繪制出數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)知識(shí)圖譜(如圖3)，該圖譜可直觀(guān)地反映目標(biāo)科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)概況。圖3中各節(jié)點(diǎn)大小代表節(jié)點(diǎn)中標(biāo)注的相應(yīng)熱點(diǎn)詞匯在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中的出現(xiàn)頻次，節(jié)點(diǎn)間的連線(xiàn)代表各熱點(diǎn)詞匯之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。由圖3可以看出，“digital twin”(數(shù)字孿生)代表的節(jié)點(diǎn)最大，表明數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域中其本體的理論技術(shù)研究最為火熱。

本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果制作出頻次排名前10的熱點(diǎn)詞匯列表(如表2)。觀(guān)察表2中統(tǒng)計(jì)內(nèi)容可知，除了“digital twin”(數(shù)字孿生)之外，其他熱點(diǎn)詞諸如“design”(設(shè)計(jì))、“simulation”(仿真)、“industry 4.0”(工業(yè)4.0)、“system”(系統(tǒng))、“model(模型)”等詞匯出現(xiàn)的頻次雖然排名相對(duì)靠前，但相比于“digital twin”仍有一定的差距，這是因?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)雖然已引起國(guó)際范圍的廣泛重視，科研人員也已開(kāi)展相應(yīng)研究逐步完善數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，但在實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與其他技術(shù)的深化結(jié)合和應(yīng)用實(shí)踐等層面仍有較大研究空間。值得注意的是，“industry 4.0”(工業(yè)4.0)詞匯的中心度最高，超過(guò)了頻次第一的“digital twin”(數(shù)字孿生)，這是因?yàn)椤肮I(yè)4.0”的科技意義就在于利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促進(jìn)生產(chǎn)力的變革，提高資源生產(chǎn)率和價(jià)值增益，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智慧化、互聯(lián)化，而這也正是數(shù)字孿生技術(shù)所追求的應(yīng)用目標(biāo)。表中熱點(diǎn)詞匯預(yù)示著未來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)將會(huì)從孤立的理論研究轉(zhuǎn)變?yōu)榕c設(shè)計(jì)、仿真、工業(yè)4.0、系統(tǒng)等研究熱點(diǎn)的技術(shù)融合，學(xué)術(shù)界應(yīng)順應(yīng)時(shí)代趨勢(shì)，加大科研力量的投入，深入挖掘數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用層面的生產(chǎn)潛力，不斷尋求數(shù)字孿生技術(shù)的落地實(shí)踐。

表2 熱點(diǎn)詞匯列表

4.2 研究前沿分析

一個(gè)科研領(lǐng)域的研究前沿主要探討的是該領(lǐng)域當(dāng)下興起的研究趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)態(tài)，是一組凸顯的概念和潛在的研究問(wèn)題。諸多研究前沿，既有可能在時(shí)代的科技浪潮下演變成為未來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也可能僅在某個(gè)歷史階段短暫興起后迅速淡出研究視野，因此及時(shí)識(shí)別特定領(lǐng)域的研究前沿勢(shì)必大力推動(dòng)該學(xué)科領(lǐng)域的研究發(fā)展。在科學(xué)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)一將科學(xué)引文網(wǎng)絡(luò)中近期發(fā)表且時(shí)常被引用的文獻(xiàn)集合稱(chēng)為研究前沿，并認(rèn)為研究前沿建立在最新的科研工作基礎(chǔ)之上[22]。此外，研究中諸如潛在知識(shí)、新興趨勢(shì)及新研究領(lǐng)域等概念也可歸入研究前沿。綜上所述，研究前沿代表特定科研領(lǐng)域時(shí)下最先進(jìn)、最具創(chuàng)新、最具研究潛力的科研主題，可從科學(xué)文獻(xiàn)引文網(wǎng)絡(luò)中高被引的最新文獻(xiàn)集合中分析得到。研究主要根據(jù)文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)關(guān)系對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究前沿分析，通過(guò)CiteSpace繪制出數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)階段的研究前沿知識(shí)圖譜(如圖4)，該圖可直觀(guān)展現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域隨時(shí)間推移而不斷演進(jìn)的研究前沿動(dòng)態(tài)。

在如圖4所示的研究前沿知識(shí)圖譜中，運(yùn)用CiteSpace軟件的共被引分析提取得到圖中右側(cè)一系列主題名詞，這些名詞直觀(guān)反映了數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿，每個(gè)名詞對(duì)應(yīng)的橫軸坐標(biāo)表明該研究主題在時(shí)間上的動(dòng)態(tài)演變，展現(xiàn)出研究的起止時(shí)間以及各科研時(shí)期的論文發(fā)表情況?？茖W(xué)研究隨時(shí)間不斷地發(fā)展，該領(lǐng)域的研究前沿也在科技變革的浪潮中產(chǎn)生并隨之發(fā)展，順應(yīng)時(shí)代的前沿主題被國(guó)際范圍內(nèi)的學(xué)者重視并展開(kāi)深入研究，而創(chuàng)新前景不足的研究主題則轉(zhuǎn)瞬淘汰。因此，該研究關(guān)注的是近兩年仍在持續(xù)發(fā)展的研究前沿，在時(shí)間線(xiàn)視圖中對(duì)應(yīng)于2019年依舊被學(xué)術(shù)界廣泛重視的研究主題。從圖4可以看出，這樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)共計(jì)6個(gè)，其對(duì)應(yīng)的主題聚類(lèi)名詞分別為#1 machine learning(機(jī)器學(xué)習(xí))、#2 simulation(仿真技術(shù))、#3 intelligent design(智能設(shè)計(jì))、#8 flexible manufacturing systems(柔性制造系統(tǒng))、#12 system lifecycle management(系統(tǒng)生命周期管理)和#15 cyber-physical systems(信息物理系統(tǒng))。這些主題詞代表了目前數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究前沿，下面重點(diǎn)針對(duì)其中具有代表性的前沿主題進(jìn)行介紹與分析。

4.2.1 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是指利用仿真硬件和仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)物理實(shí)體系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程的綜合性技術(shù)。Kleijnen[23]在2015年總結(jié)分析了使用計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，回顧了兩種元模型的仿真算法，為仿真設(shè)計(jì)的全局優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。而B(niǎo)oscher等[24]將目光轉(zhuǎn)向機(jī)電系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的仿真技術(shù)從而改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的協(xié)作連接性，并不斷擴(kuò)展系統(tǒng)的更多功能。Schleich等[25]根據(jù)仿真原理提出了基于Skin Model Shapes概念的綜合參考模型，把該模型作為物理產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造中的數(shù)字孿生，將其應(yīng)用于幾何變化的制造管理并給出實(shí)踐結(jié)論(如圖5)。

楊斌等[26]以復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品為研究對(duì)象，基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真交互特性，利用多維仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)性能的檢測(cè)調(diào)控并證明了該機(jī)制的科學(xué)性和實(shí)用性。生產(chǎn)設(shè)計(jì)和制造活動(dòng)中對(duì)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真模型的需求無(wú)處不在，但是當(dāng)前使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行仿真的方法依舊缺乏實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，使用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建更加科學(xué)、精確的仿真模型并在生產(chǎn)活動(dòng)中實(shí)踐應(yīng)用將是數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域追尋的主要目標(biāo)之一。

4.2.2 智能設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)產(chǎn)生于專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用的最初時(shí)期，經(jīng)由數(shù)年演變，智能設(shè)計(jì)已從原始、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)型專(zhuān)家系統(tǒng)發(fā)展成為利用現(xiàn)代化信息科技，以計(jì)算機(jī)為輔助工具，通過(guò)模擬人類(lèi)思維驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的智能化的復(fù)雜數(shù)字技術(shù)。針對(duì)工程智能設(shè)計(jì)的決策過(guò)程，達(dá)索公司[27]創(chuàng)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3D體驗(yàn)平臺(tái)，將設(shè)施布局問(wèn)題的框架應(yīng)用于多視圖系統(tǒng)方法，并根據(jù)用戶(hù)反饋提供從需求到系統(tǒng)的決策操作。在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科技背景下，陶飛等[28]認(rèn)為進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高效性和智能化，需要?jiǎng)?chuàng)建結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和物理的互聯(lián)數(shù)據(jù)以服務(wù)于產(chǎn)品生命周期，并提出了由數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法(如圖6)，對(duì)該方法的理論框架和應(yīng)用場(chǎng)景給出了相應(yīng)解釋。

李浩等[29]重點(diǎn)研究了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品需求、概念配置、運(yùn)維管理等多個(gè)設(shè)計(jì)角度科學(xué)分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化過(guò)程，并提出針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)形設(shè)計(jì)框架，為數(shù)字孿生技術(shù)與智能設(shè)計(jì)的深化結(jié)合奠定了理論基礎(chǔ)。就目前研究現(xiàn)狀而言，數(shù)字孿生技術(shù)還未能在智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛的價(jià)值應(yīng)用。由于智能設(shè)計(jì)的決策過(guò)程中涉及到復(fù)雜的分析算法和大量的信息數(shù)據(jù)，使得不論是對(duì)智能設(shè)計(jì)本身展開(kāi)技術(shù)開(kāi)發(fā)還是打破與數(shù)字孿生技術(shù)間存在的技術(shù)壁壘都十分困難。管文玉等[30]認(rèn)為數(shù)字孿生可與產(chǎn)品設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，利用信息反饋防控潛在風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能優(yōu)化。因此，如何利用數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化特性解決智能設(shè)計(jì)中存在的算法設(shè)計(jì)優(yōu)化和系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理問(wèn)題是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

4.2.3 系統(tǒng)生命周期管理

系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)既定目標(biāo)而組織的協(xié)作元素的組合。無(wú)論系統(tǒng)是技術(shù)性或是組織性的，它們始終由人設(shè)計(jì)并服務(wù)于大眾。每一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)都有生命周期，從被設(shè)計(jì)產(chǎn)生開(kāi)始，不斷地發(fā)展至成熟穩(wěn)定，再被廣泛實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用到生產(chǎn)活動(dòng)中，最終被淘汰或由其他競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)取代，整個(gè)歷程都處在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的變化中。Eigner[31]從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到產(chǎn)品制造的跨學(xué)科視角出發(fā)，利用系統(tǒng)生命周期管理平臺(tái)，基于系統(tǒng)模型進(jìn)行虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，派生出新的數(shù)字建模設(shè)計(jì)方法，并對(duì)系統(tǒng)生命周期管理的理論概念進(jìn)行了擴(kuò)充(如圖7)。

蔡鴻明等[32]在2014年利用本體論的方法，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)背景下的可配置信息服務(wù)平臺(tái)，并對(duì)系統(tǒng)生命周期中的產(chǎn)品信息進(jìn)行封裝、重組、傳遞、跟蹤和交互，為數(shù)據(jù)集成和智能互聯(lián)提供了技術(shù)支持。上文提到的Schleich等[25]的研究中所提出的基于Skin Model Shapes概念的參考模型，在很大程度上解決了數(shù)字孿生模型概念化、具象化、應(yīng)用化的問(wèn)題，加快了數(shù)字孿生技術(shù)在系統(tǒng)生命周期管理中的應(yīng)用。

4.2.4 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System, CPS)是智能化的復(fù)雜集成系統(tǒng)，綜合網(wǎng)絡(luò)和物理等多維環(huán)境為一體，通過(guò)計(jì)算、通信與控制技術(shù)的融合協(xié)作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與物理進(jìn)程的鏈接交互，以遠(yuǎn)程化方式進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)中的資源協(xié)調(diào)、精確控制和信息處理[33]。如今已發(fā)展為五級(jí)CPS體系結(jié)構(gòu)(如圖8)。

在此背景下，王磊等[35]基于智能管控概念提出輕裝配智能制造系統(tǒng)框架，該框架集成了信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云制造等數(shù)字技術(shù)的功能特點(diǎn)，為推動(dòng)智能制造的全面科學(xué)控制提供了有效的方法和途徑。Alam等[36]將云計(jì)算技術(shù)集成至信息物理系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)而提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的C2PS體系結(jié)構(gòu)模型，科學(xué)分析了C2PS的關(guān)鍵特性和應(yīng)用場(chǎng)景。與此同時(shí)，Uhlemann等[37]對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和選擇進(jìn)行了研究，提出了一種實(shí)用的多模態(tài)數(shù)據(jù)采集方法，該方法能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境對(duì)制造設(shè)備進(jìn)行多元化數(shù)據(jù)采集，對(duì)中小型企業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。分析得出，信息物理系統(tǒng)已成為數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域極具潛力的科研主題，并將在今后數(shù)十年中持續(xù)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)等多個(gè)層面產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

在科技網(wǎng)絡(luò)迅速變革的浪潮下，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普泛化、深入化，其高速同步、長(zhǎng)效保真以及交互性響應(yīng)決策等特征使之為信息集成化網(wǎng)絡(luò)的搭建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國(guó)際范圍的頂尖科研人員不斷探索，深入挖掘數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、仿真、智能設(shè)計(jì)、柔性制造系統(tǒng)、系統(tǒng)生命周期管理和信息物理系統(tǒng)等前沿研究主題的交互融合。作為新興科研領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)始終處在動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜發(fā)展環(huán)境中，未來(lái)的研究工作應(yīng)集中在以下方面：

(1)共享海量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)。建立共享數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)通用性技術(shù)設(shè)計(jì)平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通信和研究模型標(biāo)準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、及時(shí)性、可靠性，創(chuàng)建全球化協(xié)作環(huán)境。

(2)重視生產(chǎn)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)智能制造。利用數(shù)字孿生技術(shù)的超現(xiàn)實(shí)仿真功能，模擬工程制造和生產(chǎn)活動(dòng)的全過(guò)程管理，提高數(shù)字孿生技術(shù)感知反饋、精確控制和精準(zhǔn)執(zhí)行的能力, 推動(dòng)智能化制造進(jìn)程。

(3)把握研究前沿，尋求創(chuàng)新發(fā)展。積極探求機(jī)器學(xué)習(xí)、仿真、智能設(shè)計(jì)、柔性制造系統(tǒng)、系統(tǒng)生命周期管理和信息物理系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域與數(shù)字孿生技術(shù)的深化結(jié)合與創(chuàng)新發(fā)展。